外源鎂對強酸性紫色土壤陽離子交換效應的研究

詹江渝　陳洪　程永毅　趙新儒　楊劍虹

摘要[目的]為研究外源鎂對強酸性紫色土壤陽離子交換效應。[方法]選擇重慶地區強酸性紫色土壤為對象，采用1∶5的土水比，用10 cmol（+）/L MgSO4溶液對土壤進行多次交換處理。[結果]在實驗條件下，外源鎂能快速取代土壤膠體上吸附的各種鹽基離子，但對致酸離子（H+、Al3+）則難以達到快速、完全取代，經5次交換后，鹽基飽和度由46.6%上升至72.4%，土壤pH僅上升0.7個單位；Mg2+與Ca2+、Na+的交換分別可以用指數方程y =14.998e-1.484 9x（R2=0.993 8）、二次方程y=0.011 1x2-0.100 5x+0.233（R2=0.986）進行很好地擬合；Mg2+與K+的交換后期明顯表現出有部分土壤次生黏土礦物層間固定的K+會被交換出來，導致被交換出的K+總量增加。[結論]在無酸堿中和的條件下，外源鎂可以改變土壤膠體鹽基離子的構成，但對于改良強酸性土壤并無實際意義，反之，過量的外源鎂還可能造成土壤其他鹽基離子的損失。

關鍵詞強酸性土壤；外源鎂；陽離子交換；效應

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）04-01056-03

基金項目“十二五”國家水專項（2012 ZX 07104003）。

作者簡介詹江渝（1989-），女，重慶人，碩士研究生，研究方向：土壤化學。*通訊作者，教授，博士，碩士生導師，從事土壤化學方面的研究。

鎂作為葉綠素組成成分和多種酶的催化劑，是植物生長的必要元素[1]。植物對鎂的需求全部來源于根系從土壤（或營養液）中的吸收。在正常情況下，土壤中的鎂大多能滿足植物生長的需要。然而，在我國南方的一些強酸性土壤中，土壤交換性鹽基離子被H+和Al3+大量取代而造成淋失，致使交換性鹽基中的交換性Mg2+（有效態鎂）含量可能降至極低的水平。因而，植物因缺鎂所導致的葉片失綠、生長緩慢等情況時有發生[2-4]，南方土壤交換性鎂含量一般在7～267 mg/kg范圍內[2]。有研究認為，我國南方甚至有54%的土壤需要不同程度地補充鎂[5]。土壤可交換態Mg2+的含量影響著植物吸收利用Mg2+的能力。在一般情況下，Mg2+含量與土壤鹽基飽和度呈正相關，與土壤酸度呈負相關，土壤pH的減少將伴隨著可溶性Mg2+濃度數量級的增加[6]。這也是強酸性土壤易發生缺鎂癥的主要原因。因此，一些學者認為[7-9]在強酸性土壤上施用含鎂肥料，不但能增加土壤鎂的營養，而且在一定程度上能達到降低土壤酸度，改善土壤陽離子交換性能的目的。但是，也有研究表明，在酸性土壤中施用酸性鎂肥料會使土壤pH下降[10]。此外，關于紫色土中Mg2+與其他陽離子的交換吸附研究較少。筆者以重慶地區強酸化的紫色土壤為研究對象，通過添加酸性鎂—硫酸鎂，并從交換性陽離子在土壤膠體表面競爭吸附的角度，研究外源鎂對強酸性土壤陽離子交換效應及土壤酸堿性能的影響。

1材料與方法

1.1供試土壤研究土樣于2013年8月下旬采自重慶市涪陵區睦和村。樣品在室內自然風干，剔去石礫、植物殘體等，磨碎，過1 mm尼龍篩。該土壤發育于中生代侏羅系中統沙溪廟組（J2s）紫色泥頁巖風化物，分類學上屬中性紫色土亞類、灰棕紫泥土屬。因長期在不合理施肥條件下長期種植榨菜，該地區的部分土壤已經嚴重酸化，土壤陽離子交換性能已極度惡化[11]。

1.2試驗設計試驗于2013年10月上旬采用多次交換處理法進行，設5次交換處理。為便于操作，各次交換按1∶5土水比（忽略殘留水分）進行。具體操作如下：稱取10.00 g過1 mm篩孔的風干土壤5份于5支干燥的100 ml離心管中，編號①～⑤（同樣處理設3次重復），于離心管中各加10 cmol（+）/L MgSO4 （0.05 mol/L MgSO4）溶液50 ml，將離心管于振蕩機上振蕩10 min后，離心分離（4 000轉/min，4 min），將上層清液（交換液）通過濾紙收集于100 ml燒杯中；將①號處理的離心管單獨取出，按1∶1的土水比加純水10 ml，攪拌，放置10 min，測定pH后，棄去。同樣，將處理①燒杯中交換液做適當稀釋后測定Ca2+、K+、Na+及Mg2+的濃度，其余各處理溶液棄去；將剩余的②～⑤號處理重新加入50 ml 10 cmol（+）/L MgSO4，重復上述步驟，完成處理②的pH和Ca2+、K+、Na+及Mg2+的濃度測定后繼續完成處理③～⑤的測定。

1.3指標測定與方法

1.3.1K+、Na+的測定。將交換液在火焰光度計上直接測定mg/L濃度，并換算成K+、Na+ cmol（+）/L，以10 cmol（+）/L MgSO4溶液為基體配制K+、Na+的標準溶液。

1.3.2Ca2+的測定。將交換液按處理①稀釋500倍，處理②稀釋50倍，處理③～⑤稀釋5倍，并加入適量濃度5% LaCl3溶液（釋放劑）后，在火焰原子吸收分光光度計（日立Z5000型）上測定Ca2+mg/L濃度，并換算成Ca2+cmol（+）/L；以10 cmol（+）/L MgSO4為基礎，按樣品相同稀釋倍數的溶液為基體，配制各處理Ca2+的標準溶液。

1.3.3Mg2+的測定。將各交換液按1 000倍稀釋后在火焰原子吸收分光光度計上測定Mg2+mg/L濃度，并換算成Mg2+cmol（+）/L，以水為基體配制Mg2+的標準溶液。

2 結果與分析

2.1外源鎂在土壤膠體上的交換吸附特征由表1可知，隨著交換次數的增加，土壤膠體上其他交換性陽離子被Mg2+逐步交換取代，第5次交換后，土壤膠體吸附Mg2+達21.0 cmol（+）/kg，但各次的交換吸附量明顯的快速降低。由圖1可知，將各次交換后土壤吸附Mg2+的增加量（cmol（+）/kg）與交換次數進行擬合后發現，二者與二次方程的擬合極好，R2達0.941 2**。由此可知， Mg2+具有強的交換力，能快速交換取代土壤膠體上其他鹽基離子，但相對于土壤中的致酸離子（H+、Al3+），在該試驗條件下Mg2+的交換力尚不足以達到快速交換取代的效果，經5次交換后，土壤膠體上仍保留有約8 cmol（+）/kg的交換性酸，而Mg2+被土壤吸附的增加量不足0.5 cmol（+）/kg。

2.2外源Mg2+對Ca2+、Na+ 、K+交換特征的影響交換性Ca2+和Mg2+是土壤中最重要的鹽基離子[12]。由圖2可知，在試驗條件下，隨著交換次數的增加，土壤膠體上吸附的交換性Ca2+含量快速降低，用指數方程y=14.998e-1.484 9擬合，相關系數（R2）達0.998 3**，表明外源Mg2+對Ca2+的交換曲線符合指數方程。5次交換后，Mg2+對Ca2+的交換率可達99.9%以上。Ca和Mg同為堿土金屬，在元素化學周期表中位于主族的ⅡA族，在化學性質上具有很多相似性。在土壤膠體吸附的所有鹽基離子中，Mg2+的吸附強度在同價離子中小于Ca2+，因此當Ca2+的含量過高時，Ca2+就會將Mg2+交換出來，使得交換性鎂的含量降低。同時，植物對土壤中Mg2+的吸收也受到土壤中Ca2+濃度的影響。Ca2+濃度過高時會減少植物對Mg2+的吸收量，從而造成植物的缺鎂癥。該研究表明，當Mg2+含量遠高于Ca2+時，Mg2+與Ca2+發生陽離子交換，Ca2+被交換出來，而Mg2+被吸附于土壤膠體上，增加了土壤中交換態鎂的含量。這雖然對缺鎂土壤鎂素的補充具有一定的作用，但過量的鎂會引起交換性Ca2+含量的降低。

2.3 外源Mg2+離子交換與土壤pH的變化對于強酸性土壤，一般認為土壤交換性酸以Al3+占主導[15]。由于土壤膠體對Al3+的強吸附性，當鹽基離子與之交換時，一是交換率低，即土壤經5次交換后，土壤鹽基飽和度由交換前的46.6%僅提高到72.4%，且隨著交換次數的增加，提高速度逐漸降低；二是由于強酸性土壤的pH緩沖由Al3+緩沖區主導。在無酸堿中和的條件下，僅靠鹽基離子的交換作用來快速降低土壤酸容量（交換性酸），在強酸性土壤改良中幾乎無實際意義。

圖4為各次交換后土壤pH值變化曲線，用二次曲線方程擬合，R2= 0.996 6。由圖4可知，經5次交換后，土壤pH由3.9提高到4.6，僅提高0.7個pH單位。有研究表明，硫酸鉀鎂肥作為生理酸性鹽會降低土壤pH，硫酸鎂同樣作為一種酸性鹽，卻提高土壤pH。在提高速率上，明顯表現為先慢后快。這表明隨著交換次數的增加，膠體上Al3+減少，Al3+緩沖效果逐漸減弱，因添加外源鎂—硫酸鎂在強酸性紫色土中pH提高幅度不大，僅靠鹽基離子的交換作用來降低土壤酸容量（交換性酸），因此對于強酸性土壤改良幾乎無實際意義。

3 結論

（1）按1∶5土水比、10 cmol（+）/L MgSO4溶液對過度酸化的紫色土壤樣品進行交換，土壤膠體上其他鹽基離子能被Mg2+快速交換進入溶液，但對于交換性酸（H+、Al3+），其交換能力則不足以達到快速、完全交換。因此，外源鎂對強酸性土壤陽離子交換性能的影響主要表現在土壤鹽基離子上。

（2）土壤膠體上交換K+能快速地被外源鎂交換，但在Mg2+濃度較高、過度交換的條件下，土壤次生黏土礦物中固定的K+可能被同時交換出來，導致緩效性K+損失。

（3）土壤增加外源鎂可改善鎂的營養狀況，但從對強酸性土改良的角度，施用鎂肥幾乎無實際意義，過量施用反而造成其他鹽基離子損失。

參考文獻

[1] 李明晶， 孫云華，劉亦凡.鎂在植物生長中的作用及鎂肥[J].硫磷設計與粉體工程，2009（4）：36-39.

[2] 丁玉川， 焦曉燕， 聶督， 等.山西省主要類型土壤鎂素供應狀況及鎂肥施用效果[J].水土保持學報，2011，25（9）：139-144.

[3] 黃玉溢， 王影， 陳桂芬， 等.低產柑橘園植株及土壤營養狀況分析及評價[J].土壤通報，2009，40（1）：118-121.

[4] 宋傳俊， 葉斌.水稻缺鎂癥及鎂肥試驗效果初報[J].土壤肥料，2003（1）：41-42.

[5] 自由路， 金繼運， 楊俐萍.我國土壤有效鎂含量分布狀況與含鎂肥料的應用前景研究[J].土壤肥料，2004（2）：3-4.

[6] TIPPING E，SMIT E J，LAWLOR A J，et al.Predicting the release of metal from ombrotrophic peat due to droughtinduced acidification[J].Environ Poll，2003，123（2）：239-253.

[7] 李伏生.紅壤地區鎂肥對作物的效應[J].土壤與環境，2000，9（1）：53-55.

[8] 施潔斌， 秦遂初， 單英杰.酸性土壤小麥缺鎂與鋁及鈣、鉀元素的關系研究[J].浙江農業科學，1997（6）：282-284.

[9] 姚建武， 柯玉詩， 黃慶.活性鈣鎂肥水稻肥效試驗研究[J].土壤肥料，2005（3）：45-47.

[10] 王龍， 王子芳， 金昆， 等.pH和有機質對三種不同土壤鎂吸附特性的影響[J].西南大學學報，2009，31（7）：150-155.

[11] 李忠意.重慶涪陵榨菜區土壤酸化特征及其改良研究[D].重慶： 西南大學，2012.

[12] 姜勇， 張玉革， 梁文舉.溫室蔬菜栽培對土壤交換性鹽基離子組成的影響[J].水土保持學報，2005，19（6）：78-81.

[13] 楊劍虹， 王成秋， 代亨林.土壤農化分析與環境監測[M].北京， 中國大地出版社， 2008.

[14] 王定勇， 石孝均， 毛知耘.長期水旱輪作條件下紫色土養分供應能力的研究[J].植物營養與肥料學報，2004， 10（2）： 120-126.